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  [组图]启动仿真器就是这么简单!           ★★★ 【字体:
启动仿真器就是这么简单!
作者:互联网    文章来源:互联网    点击数:    更新时间:2014-10-9    

Matthias Ulmann 概括介绍如何管理发动机启动过程中的电池压降。

引言

工作在汽车领域的电子工程师迟早会面临“启动测试脉冲”问题。这些测试脉冲说明了发动机启动过程中的电池压降,所有汽车制造商对此都有其自己的标准。电池上连接有大量的电子产品电路,因此它们会受到这一事件的影响。在导航或多媒体系统等一些应用中,人们不希望、甚至无法接受由于输入电压下降而导致的工作中断。在这种情况下,升压转换器大多数布置在电路前面,以便为电子产品提供稳定的输入电压。

在开发过程中,必须测试前置升压转换器的功能性,才能确保为负载点转换器等后续电子产品实现快速启动以及干净稳定的输出电压。这类应用的典型解决方案是德州仪器 (TI) 的 TPS43330,其可提供两个同步降压转换器和一个升压转换器。电池电压可直接连接至升压转换器,而两个降压转换器则连接至该升压转换器的输出端。

只要电池电压下降至一个可调阈值以下,升压转换器就会启动,为降压转换器提供 7V、10V 或 11V 的恒定电压。

很多制造商都提供测试系统来仿真启动脉冲,但可惜它们也有一定的“商业”价格。要测试具有不同标准化起动脉冲的、输入功率高达 50W 的汽车电子系统,可使用以下所示低成本小型启动仿真器。

规范

从根本上讲,需要一个高度灵活的可编程、任意信号发生器,其可覆盖 2 至 15V的输出电压范围和 50W 的最大输出功率,这些需求可分为三个部分。

对于电源部分而言,降压转换器是正确的选择,因为无需电流隔离,而且它通常可为所有非隔离式拓扑实现最大的稳压带宽。由于输出电压在 2 至 15V 的范围内,因此 24V DC 输入电压就是理想的电压,在每一个实验室都能找到的标准电源就可提供这样的电压。

要增大降压转换器的输出电压,只需提高占空比,电感器内的电流方向保持不变即可。如果输出电压必须极速降低,只降低占空比是不够的,还必须通过让输出电容器放电来尽快达到所需的最新输出电压。

图 1 是非同步与同步降压转换器的功率级。在非同步拓扑中使用的二极管只允许单向电流流过。如果将该二极管替换为 FET,则在输出电容器上的电压高于新设定值时,降压控制器就会连续接通该低侧 FET。然后电流流过电感器的方向会发生变化,而输出电容器则可通过将其经由电感器连接至接地来实现放电。


图 1. 非同步与同步降压转换器

当然,在占空比可以非常低而输出电流为高的此类应用中,同步降压可提供比非同步方案高得多的效率,因为在非同步方案中,二极管的正向压降可引起高损耗。



图 2. 降压转换器的占空比

要对输出电压实现快速稳压,就必须禁用控制器的任何‘二极管仿真’或‘电源安全模式’,使转换器始终保持在连续导通模式下。与断续导通模式相比,这种‘强制 PWM 模式’可增加低负载损耗,但对于该应用而言,没有任何作用。

TI 的 TPS40170 电压模式降压控制器符合所有要求,而且所集成误差放大器的高带宽(典型值为 10 MHz)还可实现输出电压的快速变化。

第二部分的内容包括输出电压的变量及其快速变化。有几种方法可改变工作过程中的输出电压,但可能最快的方法是为数字信号处理器 (DSP) 供电。根据处理器负载调节内核电压,可增强计算功能或降低损耗。这通常由一个动态电压识别 (VID) 接口完成,如图 3 所示。


图 3. VID 接口

通过改变参考电压或电压(其可与参考电压进行比较)可改变转换器的输出电压。由于参考电压大多是固定的,而且不可通过控制器访问,因此必须使用第二种方法。

将几款附加电阻器与该分压器的低侧电阻器并联布置,它就可通过小型 FET 进行开关。

在该电路中,增加 8 个附加电阻器和 FET,可在 2V 至 15V 输出电压范围内产生 51mV 的分辨率。

TI 微控制器 MSP430F2274 可用来控制整个系统。三种不同标准的启动脉冲(戴姆勒克莱斯勒发动机起动测试脉冲 DC-10615、大众冷启动测试脉冲以及热启动测试脉冲 VW80000)均在该 MCU 中进行了硬编程,它们既可按单脉冲触发,也可按相同脉冲序列触发,其间延迟可调。此外,该 MCU 还可处理由几个按钮和 LED 组成的用户界面。

固件不仅可采用 C 语言进行编程,而且还顾及了评论良好的模块化结构。即使没有什么编程经验,让源代码适应您自己的需求(例如改变脉冲形状)也没有问题。开发环境“Code Composer Studio”可从 ti.com 上免费下载,可用来编程微控制器,并可使用 TI 低成本 MSP430 LaunchPad。

有源反极性保护与触发器输入输出等部分电路外设可使该电路更稳健、更简单易用,以充分满足实验室日常使用需求。

测量

有关快速电压变化(大众冷启动测试脉冲)的最关键脉冲如图 4 所示。连接至输出的是 50W 恒定负载,在测试脉冲开始时,输出电压必须在 1 ms 内从 11V降低到 3.2V。

通道 2(红色)是输出电压,而通道 1(黄色)则是输出电流。由于负载是恒定的,因此在电压下降时,电流必须相应上升。该脉冲下的峰值输出电流是 26A,如图 5 所示。

图 4. 大众冷启动测试脉冲


图 5. 在 50W 恒定负载下,输出电压从 11V 变成 3.2V

为了显示该系统的性能,对锯齿波形进行了编程。图 6 中的通道 2(红色)是在 50W 恒定负载下从 2V 直线上升至 15V 的输出电压。只是从 2V 到 15V 的极度电压变化不太完美,但也很不错。

图 6. 在 10ms 周期内,从 2V 到 15V 的锯齿形波

结论

这里显示的系统已经在日常实验室使用中经过验证,能够高度可靠地完成各项任务。它虽然是一个低成本的小型解决方案,但在用于测试导航与多媒体系统等汽车电子产品的启动输入脉冲时,表现出了优异的性能。

原理图、材料清单、布局以及软件等有关该项目的所有信息已在 ti.com 网站上的 PMP7233 目录下提供。

关于作者

Matthias Ulmann 于 1980 年出生于德国乌尔姆,2006 年毕业于乌尔姆大学,获电气工程学位。在电机控制与太阳能逆变器领域工作数年后(专门从事 IGBT 驱动器工作),Ulmann 参加了 TI 模拟学院 (Analog Academy) 为期一年的培训项目。自 2010 年以来,他一直在位于德国弗莱辛的 EMEA 设计服务产品部工作,担任参考设计工程师,其设计工作涵盖适用于所有应用领域的隔离式及非隔离式 DC/ DC 转换器。

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